轻量化BIM私有桌面云系统在工程项目中的应用

2018-10-10张宇张亮

建筑施工 2018年6期

张宇张亮

上海建工集团工程研究总院上海 200129

BIM技术的出现是建筑施工行业的一次重大革命，极大地促进了行业的科技进步、转型升级与创新发展，对整个行业的发展趋势转变产生了不可估量的影响[1]。近年来，随着BIM技术与大数据技术、物联网技术、云计算等信息技术的不断融合发展，建筑施工管理也逐渐由人工方式向着信息化、智能化管理方向升级转化，既显著提升了管理效率和效果，还节省了大量的工程管理成本。

本文通过对轻量化BIM私有云系统在上海嘉定再生能源利用中心项目中的具体应用与成效进行系统分析，总结出了一套切实可行的工程信息化建设解决方案，为私有云的进一步落地推广创造条件。

1 技术背景

云计算（Cloud Computing）是一种基于互联网的计算方式，通过这种方式，共享的软硬件和信息资源可以按需提供给计算机和其他终端使用[1]，它是网格计算、分布式计算、并行计算、效用计算、网络存储、虚拟化和负载均衡等计算机技术与网络技术发展融合的产物[2]。云计算按照服务方式可以划分为公有云、私有云和混合云；按照服务类型可以划分为基础设施服务云、平台服务云和软件服务云[3]。

虚拟化技术是云计算技术的重要支撑技术，它可以扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程[4]。虚拟化技术种类繁多，如桌面虚拟化、服务器虚拟化、系统虚拟化等均属于其范畴。

桌面虚拟化技术是一种将计算机用户使用的个人计算机桌面与物理计算机相隔离的技术。在桌面虚拟化系统中，用户的桌面操作系统都是运行在后台的服务器上；通过远程桌面交付协议，将运行在服务器上的桌面影像传送到用户的访问终端，同时桌面交付协议也将用户访问终端上的鼠标、键盘、触摸（有触摸功能的智能设备）等指令发送到后台的虚拟桌面上，完成操作交互。其核心就是远程桌面交付协议，传输的主要为人机交互数据，同时是一种高效率的数据交换协议，采用了大量的数据压缩、加密和连接优化技术，保证了用户的使用体验以及数据安全[5]。

在工程建设行业践行数字化建造理念的过程中，BIM技术与云计算技术作为基础应用技术是不可或缺的，二者的集成应用能有效地实现终端设备的协同，数据的处理、存储与资源共享，提升各方的协同工作效率，降低BIM技术应用门槛。

2 BIM系统架构模式

目前，业内使用的BIM技术系统架构模式基本为如下2种：

1）单机模式。即每位用户拥有一个图形工作站，BIM软件安装在独立的工作站上，BIM模型数据也存储在本地。

2）基于产品数据管理（PDM）的模式。即企业建立一个BIM数据管理平台，集中保存和管理企业内部所有的BIM模型数据。每位用户仍旧各自拥有一台图形工作站，在本地图形工作站上安装、运行BIM软件，完成当前任务后，通过网络将BIM模型上传至PDM服务器，由PDM服务进行统一存放和管理，以便于后续的工作。

这2种系统架构模式都存在硬件成本高、数据安全性差、系统管理复杂等问题。为此，我们在上海嘉定再生能源利用中心项目中创建了轻量化BIM私有桌面云系统，有效地解决了上述问题。

3 项目概况

3.1 项目概况

本项目建设地点位于上海市嘉定区外冈镇古塘村，规划用地面积约7.17 hm2。本项目服务范围为上海市嘉定区，日处理生活垃圾量1 500 t，年处理生活垃圾总量为500 000 t。拟设置3条日处理500 t生活垃圾的炉排焚烧线，每条焚烧线年运行8 000 h（图1）。

图1 项目效果图

3.2 BIM总体应用目标

上海嘉定再生能源中心项目要求在工程建设全生命周期内应用BIM技术，项目所有参与方必须应用BIM技术提高专业服务水平，提升项目品质。

在设计阶段，要求BIM咨询单位统筹管理设计方及设计顾问，应用BIM技术完成设计和顾问工作，并交付BIM成果。

在施工阶段，要求BIM咨询单位指导、配合业主管理和应用BIM技术对工程建设过程中的施工进度、质量、安全、成本等进行全面管控。辅助业主督促各施工单位、监理等参建单位进行BIM应用的推广。

在运维阶段，要求BIM咨询单位指导业主研究、开发BIM在垃圾焚烧发电行业的应用，并与原有的系统管理控制平台有效对接。

4 轻量化BIM私有桌面云系统解决方案

4.1 基本原理

轻量化BIM私有云系统的基本原理可以简单地描述为将所有的BIM应用程序放在云端（应用服务器端）运行，通过网络将应用程序的操作界面传送至地端；地端电脑将包括鼠标移动、键盘敲击等在内的指令通过网络传送到云端服务器，经过云端服务器的处理，将用户操作后的图像优化压缩再传回地端显示。地端电脑并不参与应用程序计算，而仅处理云端发送的应用程序界面和应用程序操作传输，这也是轻量化BIM私有云系统物美价廉的优势所在。而在这一过程中，我们除了需要关注云端硬件的性能外，还要关注传输速度对网速的要求。在地端电脑的使用过程中，要保证其传输速度能够等同或接近于服务器端的速度，而且经过优化的图像传输所占用的网络带宽远远小于模型数据传输的带宽。

4.2 系统设计

4.2.1 逻辑架构

整个平台逻辑由4个逻辑功能块组成：

1）操作系统模块。操作系统模块完成对平台服务器硬件的管理、实时多用户环境、用户登录授权等工作。

2）Remote Desktop Services模块。该模块旨在实现桌面远程传输的服务，即可将整个服务器的操作界面（Windows Desktop）发送给地端进行显示。系统采用Microsoft的RDS组件实现，该组件是Windows Server的一个组件，通过特定的选择安装即可完成部署。同时该服务可在多台服务器之间实现基于桌面对话级别的负载均衡，即多个用户同时使用本平台时，可以按照不同的用户连接分配在不同的物理服务器中，并且这种分配是可以根据硬件环境的不同在管理端配置的。这样，不同配置的服务器所承载的用户比率就会不完全相同，性能高的硬件可承担更大比率的用户，性能低的计算机承载小比率的用户。

3）Remote Application模块。该模块主要实现了将一个应用的操作界面（如Revit）发布到地端的操作。这样用户端通过桌面图标就可以直接连接到服务器上，同时打开并操作相应的应用程序；而在屏幕的传输上仅发送这个应用程序的界面，这样在用户端看来其运行的效果与在地端本地运行的效果完全一致，用户基本无法感知这个应用的计算承载是在地端计算机上还是在服务器之上。通过该模块，我们可以将不同的应用部署在不同的云端物理机系统上，这样用户在操作不同的应用程序时，可以利用到多物理计算的资源，从而提高客户端的整体应用性能。还可以实现用户应用授权的配置，这样就可以阻止那些没有必要使用Revit的用户打开Revit应用程序，占用系统资源。

4）应用程序模块。它是用户需要通过云平台使用的软件集合，通过一些规定程序的安装和配置便可经Remote Application进行发布。发布后的应用在完成安装后，用户可以在地端计算机的桌面上看到一个如同本地应用程序一样的图标，可以如同打开本地应用程序一样的打开云端应用程序。

4.2.2 物理架构

本项目轻量化BIM私有桌面云系统采用3台Revit工作站组成Revit工作站群；1台管理服务器采用虚拟化配置，均衡负载，安装5块3 T硬盘N＋1冗余后实现12 T的项目级专业存储；1台24口全千兆交换机，用于网络传输数据交换；1台防火墙隔离服务器与用户环境；6台云终端，满足建设单位BIM咨询（4台）、建设单位（2台）的使用；10～15台普通PC终端，供设计、工代、总包、监理等其他配合方使用（图2）。

图2 物理架构示意

5 系统建设总结

5.1 应用承载评估

轻量化BIM私有桌面云系统的应用承载主要分为3类：

1）云承载。本项目主要使用的设计、沟通、协调软件为Microsoft、Autodesk、腾讯和浏览器应用，这些应用均可以通过云发布的方式进行部署，也可以通过云进行应用。轻量化私有云技术对OpenGL是完全支持的，因此从实际效果来看非常顺畅。

2）本地承载。本项目的施工管理软件主要为广联达的算量和BIM 5D，这些软件虽然都可以通过云端部署和运行，但由于系统搭建时未采用Rdp协议栈中更高端的RemoteFX技术，导致DirectX的远传支持效果很差，经常发生鼠标漂移、显示滞后的状况，幸好地端电脑采用了桌面级的构架，故本地计算机的性能和显示能力有了一定的保障，这些工程管理的软件尚能较好地在本地计算机中运行。

3）PC承载。只有lumion在平台所搭配的客户端上无法流畅运行。经过分析，Lumion采用的DirectX 3D驱动技术完全不支持OpenGL，而且对显卡的要求较高，故无论通过云模式和本地模式，均无法完美运行，因此本项目另行配置了一台较高系统配置的PC机配合GTX960 4G显卡来承担Lumion的使用。

综上，云平台的应用承载的覆盖率在90%以上，特别是对应用运行要求较高的Autodesk系列设计工具都能较好地支持。

5.2 性能承载评估

5.2.1 多用户承载

系统自2015年6月建立以来，共开设账户49人，从高峰时观察来看，最高并发人数为37人，每台应用服务器承载人数为9人，基本在设计允许的负载范围内，并未发生无法登录和登录后应用无法打开的状况。

由于Rdp连接断开后，系统策略设定并不释放用户Session，导致部分已经停止使用的用户未及时释放资源，后调整策略为对于2 h无重连请求的，Session系统将自动注销，释放内存和临时缓冲资源。

5.2.2 大模型的承载

测试了全项目最大的综合模型，模型大小为1.2 GiB，首次打开（无本地SSD缓冲）用时2 min14 s，再次打开（有服务端SSD缓冲）用时57 s。模型打开后，开启全专业显示，拖动、旋转略有卡顿现象，在0.5～1.0 s之间，对比高性能PC略显弱势。

5.2.3 大计算的承载

开启Naviswork的渲染功能，承载当前任务的应用服务器的CPU资源全部被使用，导致在这台物理计算机上的其他用户发送性能急剧下降，我们同时测试了3D Max渲染，效果相同。由于轻量化云在构架方面上的原因，未对CPU占用作分割和限制，故造成单任务在多线程执行的状况下可以完全使用物理机上的所有CPU资源。